兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (9): 3105-3113.doi: 10.12382/bgxb.2023.0883
史博, 陈曦*(), 李鹏斐, 韩若愚, 秦泗超, 贺中正, 孙颢洋
收稿日期:
2023-09-05
上线日期:
2023-11-09
通讯作者:
SHI Bo, CHEN Xi*(), LI Pengfei, HAN Ruoyu, QIN Sichao, HE Zhongzheng, SUN Haoyang
Received:
2023-09-05
Online:
2023-11-09
摘要:
弹丸在飞行时所处的复杂环境可能引起弹药在待发状态下意外作用。基于6自由度刚体弹道方程组,运用4阶龙格-库塔算法对运动方程组进行数值计算,得到弹丸旋转速度随时间的衰减规律。采用某型榴弹开展炮射试验并回收试验数据,对弹丸旋转周期2阶导数的过零特征点进行验证。针对发射装药量和射角两个发射条件对特征点的影响规律进行研究,提出基于旋转特征点的弹道终点时刻辨识方法,设计基于磁场传感器的弹道终点实时辨识系统,并开展靶场炮射试验进行验证。研究结果表明,弹载弹道终点辨识系统和弹道跟踪雷达获取的弹道终点时刻相对误差小于5%,验证了所提弹道终点辨识方法的正确性。在此基础上,进一步提出适用于一种旋转稳定弹药的机械-电子双模全弹道安全控制方法,在利用发射后坐过载和旋转离心力两道环境信息的基础上,采用终点辨识作为第三道环境信息,实现引信全弹道安全控制。新提出的基于弹丸旋转规律的弹道终点辨识及引信安全控制方法,为提高旋转稳定弹药全弹道安全性提供了新的思路。
中图分类号:
史博, 陈曦, 李鹏斐, 韩若愚, 秦泗超, 贺中正, 孙颢洋. 基于弹丸旋转规律的弹道终点辨识和引信全弹道安全控制方法[J]. 兵工学报, 2024, 45(9): 3105-3113.
SHI Bo, CHEN Xi, LI Pengfei, HAN Ruoyu, QIN Sichao, HE Zhongzheng, SUN Haoyang. Ballistic Endpoint Ide.pngication Based on Projectile Rotation Characteristics and Fuze Full Ballistic Safety Control Method[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(9): 3105-3113.
模型参数 | 发射气象条件 | |||
---|---|---|---|---|
参数 | 数值 | 参数 | 数值 | |
弹径/m | 0.122 | 地面压强/kPa | 100 | |
弹长/m | 0.64481 | 地面虚温/K | 288.9 | |
弹丸质量/kg | 21.76 | 地面密度/(kg·m-3) | 1.206 | |
极转动惯量/(kg·m2) | 0.51123 | 纵向风扰/(m·s-1) | 0 | |
赤道转动惯量(kg·m2) | 0.04453 | 横向风扰/(m·s-1) | 0 |
表1 仿真参数设置
Table 1 Simulation parameter setting
模型参数 | 发射气象条件 | |||
---|---|---|---|---|
参数 | 数值 | 参数 | 数值 | |
弹径/m | 0.122 | 地面压强/kPa | 100 | |
弹长/m | 0.64481 | 地面虚温/K | 288.9 | |
弹丸质量/kg | 21.76 | 地面密度/(kg·m-3) | 1.206 | |
极转动惯量/(kg·m2) | 0.51123 | 纵向风扰/(m·s-1) | 0 | |
赤道转动惯量(kg·m2) | 0.04453 | 横向风扰/(m·s-1) | 0 |
装药 | 初速度/ (m·s-1) | 特征点 时刻/s | 总时间/ s | 弹道总时间与特 征点时刻比值 |
---|---|---|---|---|
全装药 | 710 | 24.65 | 49.33 | 2.0 |
1号装药 | 621 | 24.06 | 48.13 | 2.0 |
2号装药 | 516 | 21.09 | 42.15 | 1.99 |
3号装药 | 413 | 17.83 | 36.06 | 2.0 |
4号装药 | 312 | 14.76 | 29.66 | 2.0 |
表2 装药量对特征点时刻的影响
Table 2 The influence of charge on characteristic point moment
装药 | 初速度/ (m·s-1) | 特征点 时刻/s | 总时间/ s | 弹道总时间与特 征点时刻比值 |
---|---|---|---|---|
全装药 | 710 | 24.65 | 49.33 | 2.0 |
1号装药 | 621 | 24.06 | 48.13 | 2.0 |
2号装药 | 516 | 21.09 | 42.15 | 1.99 |
3号装药 | 413 | 17.83 | 36.06 | 2.0 |
4号装药 | 312 | 14.76 | 29.66 | 2.0 |
射角/(°) | 特征点时刻/s | 总时间/s | 弹道总时间与特 征点时刻比值 |
---|---|---|---|
20 | 20.71 | 36.03 | 1.74 |
25 | 22.66 | 42.84 | 1.89 |
30 | 24.65 | 49.33 | 2.00 |
35 | 26.71 | 55.58 | 2.08 |
40 | 28.89 | 61.61 | 2.13 |
45 | 31.2 | 67.38 | 2.16 |
50 | 33.56 | 72.85 | 2.17 |
55 | 35.89 | 77.93 | 2.17 |
60 | 38.11 | 82.55 | 2.16 |
65 | 40.18 | 86.63 | 2.15 |
表3 射角对特征点时刻的影响
Table 3 The influence of angle of fire on the moments of characteristic points
射角/(°) | 特征点时刻/s | 总时间/s | 弹道总时间与特 征点时刻比值 |
---|---|---|---|
20 | 20.71 | 36.03 | 1.74 |
25 | 22.66 | 42.84 | 1.89 |
30 | 24.65 | 49.33 | 2.00 |
35 | 26.71 | 55.58 | 2.08 |
40 | 28.89 | 61.61 | 2.13 |
45 | 31.2 | 67.38 | 2.16 |
50 | 33.56 | 72.85 | 2.17 |
55 | 35.89 | 77.93 | 2.17 |
60 | 38.11 | 82.55 | 2.16 |
65 | 40.18 | 86.63 | 2.15 |
射角/(°) | 特征点时刻/s | 总时间/s | 比值 | 比例系数 |
---|---|---|---|---|
20 | 20.71 | 36.03 | 1.74 | 1.74 |
25 | 22.66 | 42.84 | 1.89 | |
30 | 24.65 | 49.33 | 2.00 | |
35 | 26.71 | 55.58 | 2.08 | |
40 | 28.89 | 61.61 | 2.13 | 2.14 |
45 | 31.2 | 67.38 | 2.16 | |
50 | 33.56 | 72.85 | 2.17 | |
55 | 35.89 | 77.93 | 2.17 | |
60 | 38.11 | 82.55 | 2.16 | 2.15 |
65 | 40.18 | 86.63 | 2.15 |
表4 不同射角区间的比例系数定义
Table 4 The definition of scale coefficient of different angle of fire intervals
射角/(°) | 特征点时刻/s | 总时间/s | 比值 | 比例系数 |
---|---|---|---|---|
20 | 20.71 | 36.03 | 1.74 | 1.74 |
25 | 22.66 | 42.84 | 1.89 | |
30 | 24.65 | 49.33 | 2.00 | |
35 | 26.71 | 55.58 | 2.08 | |
40 | 28.89 | 61.61 | 2.13 | 2.14 |
45 | 31.2 | 67.38 | 2.16 | |
50 | 33.56 | 72.85 | 2.17 | |
55 | 35.89 | 77.93 | 2.17 | |
60 | 38.11 | 82.55 | 2.16 | 2.15 |
65 | 40.18 | 86.63 | 2.15 |
层结构 | 具体配置 | 输出维度 | 参数量 |
---|---|---|---|
卷积层 | k=7, s=1 | 16×9994 | 336 |
最大池化层 | p=2, s=2 | 16×4997 | 0 |
卷积层 | k=7, s=1 | 64×4991 | 7,168 |
最大池化层 | p=2, s=2 | 64×2495 | 0 |
卷积层 | k=7, s=1 | 128×2489 | 57,344 |
最大池化层 | p=2, s=2 | 128×1244 | 0 |
卷积层 | k=7, s=1 | 256×1238 | 229,376 |
最大池化层 | p=2, s=2 | 256×619 | 0 |
卷积层 | k=7, s=1 | 512×613 | 917,504 |
全局平均池化层 | 512×1 | 0 | |
全连接层 | u=3 | 3×1 | 1,539 |
表5 射角区间识别模型参数配置
Table 5 Parameter setting of ide.pngication model for the angle of fire interval
层结构 | 具体配置 | 输出维度 | 参数量 |
---|---|---|---|
卷积层 | k=7, s=1 | 16×9994 | 336 |
最大池化层 | p=2, s=2 | 16×4997 | 0 |
卷积层 | k=7, s=1 | 64×4991 | 7,168 |
最大池化层 | p=2, s=2 | 64×2495 | 0 |
卷积层 | k=7, s=1 | 128×2489 | 57,344 |
最大池化层 | p=2, s=2 | 128×1244 | 0 |
卷积层 | k=7, s=1 | 256×1238 | 229,376 |
最大池化层 | p=2, s=2 | 256×619 | 0 |
卷积层 | k=7, s=1 | 512×613 | 917,504 |
全局平均池化层 | 512×1 | 0 | |
全连接层 | u=3 | 3×1 | 1,539 |
射角与总和 | 训练集 | 测试集 | 验证集 | 总和 |
---|---|---|---|---|
低射角 | 707 | 94 | 94 | 895 |
中射角 | 983 | 117 | 117 | 1217 |
高射角 | 822 | 101 | 101 | 1024 |
总和 | 2512 | 312 | 312 | 3136 |
表6 射角区间识别模型的数据样本量
Table 6 The data sample size of ide.pngication model for the angle of fire interval
射角与总和 | 训练集 | 测试集 | 验证集 | 总和 |
---|---|---|---|---|
低射角 | 707 | 94 | 94 | 895 |
中射角 | 983 | 117 | 117 | 1217 |
高射角 | 822 | 101 | 101 | 1024 |
总和 | 2512 | 312 | 312 | 3136 |
装药 | 射角/ (°) | 弹道顶点 时刻/s | 弹道特征点 时刻/s | 差值/ s | 相对 误差/% |
---|---|---|---|---|---|
2号装药 | 30° | 19.24 | 19.78 | 0.54 | 2.8 |
2号装药 | 40° | 24.28 | 24.23 | 0.05 | 0.2 |
2号装药 | 40° | 24.30 | 23.71 | 0.59 | 2.4 |
全装药 | 30° | 23.39 | 24.40 | 1.01 | 4.3 |
全装药 | 40° | 29.26 | 30.09 | 0.83 | 2.8 |
全装药 | 40° | 32.01 | 31.39 | 0.62 | 1.9 |
表7 弹道特征点时刻与弹道顶点时刻对比
Table 7 Comparison of ballistic characteristic point moment and ballistic vertex moment
装药 | 射角/ (°) | 弹道顶点 时刻/s | 弹道特征点 时刻/s | 差值/ s | 相对 误差/% |
---|---|---|---|---|---|
2号装药 | 30° | 19.24 | 19.78 | 0.54 | 2.8 |
2号装药 | 40° | 24.28 | 24.23 | 0.05 | 0.2 |
2号装药 | 40° | 24.30 | 23.71 | 0.59 | 2.4 |
全装药 | 30° | 23.39 | 24.40 | 1.01 | 4.3 |
全装药 | 40° | 29.26 | 30.09 | 0.83 | 2.8 |
全装药 | 40° | 32.01 | 31.39 | 0.62 | 1.9 |
装药 | 射角/ (°) | 实时推算 终点时刻/s | 雷达记录 终点时刻/s | 差值/ s | 相对 误差/% |
---|---|---|---|---|---|
2号装药 | 30 | 42.32 | 40.81 | 1.51 | 3.5 |
2号装药 | 40 | 51.85 | 51.55 | 0.3 | 0.6 |
2号装药 | 40 | 50.73 | 51.60 | 0.87 | 1.7 |
全装药 | 30 | 52.21 | 50.86 | 1.35 | 2.6 |
全装药 | 40 | 64.39 | 64.34 | 0.05 | 0.1 |
全装药 | 40 | 67.17 | 64.90 | 2.27 | 3.4 |
表8 实时推算的弹道终点时刻和雷达记录的弹道终点时刻对比
Table 8 Comparison of the real-time estimated ballistic endpoint moment and the radar recorded ballistic endpoint moment
装药 | 射角/ (°) | 实时推算 终点时刻/s | 雷达记录 终点时刻/s | 差值/ s | 相对 误差/% |
---|---|---|---|---|---|
2号装药 | 30 | 42.32 | 40.81 | 1.51 | 3.5 |
2号装药 | 40 | 51.85 | 51.55 | 0.3 | 0.6 |
2号装药 | 40 | 50.73 | 51.60 | 0.87 | 1.7 |
全装药 | 30 | 52.21 | 50.86 | 1.35 | 2.6 |
全装药 | 40 | 64.39 | 64.34 | 0.05 | 0.1 |
全装药 | 40 | 67.17 | 64.90 | 2.27 | 3.4 |
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